Dann startete am Samstag die Spacex Demo-2 Mission.Insgesamt sieht es ziemlich beengt dort aus. Aber anders als bei Apollo sind die Astronauten ja auch nicht lange in der Kapsel, sondern schon nach 19 Stunden bei der ISS.
Wie lange die bemannte Demo-2 Mission dauern soll, weiß keiner. Na so was bei der sonst so vorausplanenden NASA? Nun ja man weiß nicht, wie lange die Solarzellen der Dragon durchhalten. Nein das ist kein Witz und kein Beitrag in Münchhausens Kolumne. Während andere Satelliten Jahre, ja Jahrzehnte mit Solarzellen mit Strom versorgt werden, halten die Solarzellen der Dragon nur wenige Monate durch. Der einfache Grund: SpaceX verwendet normale kommerzielle Solarzellen, wie sie auch in Solarmodulen auf dem Dach verbaut werden (übrigens von chinesischen Herstellern, sonst betont doch SpaceX das sie alles selbst machen und ihre Falcon (fast) vollständig „amerikanisch“ wäre). In der Umlaufbahn der ISS spielen Partikel wie Protonen und Alphateilchen aus dem Van Allen Gürtel und der Sonne keine Rolle bei der Alterung der Zellen, aber natürlich erreicht die UV-Strahlung und die Röntgenstrahlung der Sonne die ISS und es gibt noch die oberste Atmosphäre, bestehend aus Ionen und Radikalen, welche dem Material zusetzen. Normale Solarzellen wurden schon bei der Frachtdragon eingesetzt. Dort damit begründet, dass diese nur einen Monat im Orbit bleiben. Doch die Crew Dragon wird erheblich länger im Orbit bleiben. Das ist keine Ausnahme. Auch die Bordcomputer bestehen aus strahlentoleranter Elektronik, wie sie für Flugzeuge und Militärhardware eingesetzt wird, aber nicht strahlenresistenter. Auch sie fielen schon mal kurz nach dem Start aus, gottseidank wegen redundanter Auslegung ohne Auswirkung auf die Mission. Bei den Solarzellen rechnet man mit 110 Tagen Mindestlebenszeit, die Demo-2 Mission könnte bis 210 Tagen dauern. Wann man zurückkehrt, will man von dem Zustand der Solarzellen respektive ihrer Leistung abhängig machen. Sollten es weniger als 180 Tage sein, dann hat SpaceX es fertiggebracht, ein Raumschiff neu zu entwickeln das weniger lange lebt wie die Sojus, die im Prinzip die Technologie von 1968 einsetzt. Dort ist die autokatalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid und anderen Flüssigkeiten übrigens der Grund für die Beschränkung für die Lebensdauer auf sechs Monate.
Über diese Sparaktion von SpaceX gibt es zwei Meinungen. Die einen preisen sie an, um die Kosten der Raumfahrt niedrig zu halten, die anderen sagen: es gibt nicht umsonst Standards, die sich eingebürgert haben und wenn man Hardware einsetzet die nicht diesen Standards entspricht, so geht man unnötigerweise ein Risiko ein auch wenn man die Vorteile, wie hier eine Lebensdauer über Jahrzehnte nicht benötigt. Ich denke das ist wie im täglichen Leben, wo ich die Wahl habe zwischen einem teuren Markenprodukt, das aber eine lange Garantie hat und von dem man weiß, dass es zuverlässig ist und einem billigen NoName Produkt, das vielleicht nach 6 Monaten reif für den Müll ist. Auch hier wird man für jede Option eine plausible Begründung finden.
[Edit 10.6.2020]
Wie es scheint waren die Ankündigungen von mindestens 110 Tagen doch etwas voreillig, nun sollen die beiden Astronauten schon im August zurückkommen:
“The Dragon is doing very well, so we think it’s reasonable for the crew to stay up there a month or two. The actual details are still being worked out.”, so Bowesox am Dienstag (9.6.2020).
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SpaceX hat wie Boeing auch eigene Raumanzüge. Mir gefallen sie ehrlich gesagt nicht so toll. Sie sehen irgendwie schlicht und schlecht geschnitten aus. Aber solange sie ihren Zweck erfüllen, ist das ja egal. Wahrscheinlich schließen sich auch gutes Aussehen und Funktion aus, denn die meiner Ansicht nach schicksten Raumanzüge hatten die Mercury Astronauten. Nur waren das gar keine echten Astronautenanzüge, sondern angepasste Druckanzüge für Kampfflugzeugpiloten.
Da die Mai Nachlese so recht kurz ausfällt, will ich den Blog mal nutzen mich mit der Falcon Heavy XL zu beschäftigen. SpaceX soll ja das Lunar Gateway mit Fracht versorgen. Zumindest die Crewed Dragon wiegt leer 9.520 kg. Die unbemannte Variante wird wohl leichter sein, aber bei offiziell 16,8 t Nutzlast der Falcon Heavy zum Mars, zum Mond benötigt man fast die gleiche Geschwindigkeit, wird man, wenn man noch den Treibstoff rechnet, denn man braucht, um in eine Mondumlaufbahn einzutreten, die Nutzlast sehr klein sein. Das obwohl das Lunar Gateway in der Zukunft liegt, wird nicht das Starship einsetzt. Stattdessen eine noch nicht existierende Dragon XL die auf eine leistungsfähigeren Falcon Heavy startet. Die NASA hat ja schon kritisiert, das SpaceX nichts über beide Vehikel herausrückt. Doch das soll mich nicht davon abhalten, mal etwas zu spekulieren wie man die Falcon Heavy auf die benötigte Nutzlast steigert.
Ich fange mit den Grundlagen an, weil sich erfahrungsgemäß bei meinen SpaceX-Blogs hier Leute verirren, die keine Ahnung von den Grundlagen der Raumfahrt haben.
Um die höchste Nutzlast bei gegebener Startmasse zu erhalten, muss man, wenn man nur die Raketengrundgleichung ansieht, bei einer zweistufigen Rakete wie der Falcon Heavy man folgende Gleichung aufstellen:
v = ln (Startmasse / Brennschlussmasse erste Stufe) * Ausströmgeschwindigkeit erste Stufe + ln (Startmasse Zü7ndung zweite Stufe / Brennschlussmasse zweite Stufe) * Ausströmgeschwindigkeit zweite Stufe
Es gibt hier sechs Variablen: je zwei Ausströmgeschwindigkeiten, Vollmassen und Leermassen. Selbst wenn die Ausströmgeschwindigkeit und die Massen gegeben sind, variieren die Teiler alleine durch die Nutzlast. Das ist also nicht geschlossen lösbar.
Es gibt aber eine wichtige Eigenschaft der Logarithmusfunktion. Da es hier um Verhältnisse geht, sinkt die Nutzlast mit steigenden Thermen Vollmasse/Leermasse ab. Ein Optimum erhält man wenn in etwa gilt: ln(erster Therm) ~ ln(zweiter Therm).
Und daraus kann man mit kleinem Fehler bedingt durch die Unbekanntheit der Stufenmassen ableiten, das eine Schätzung für die Masseverhältnisse der Stufen etwa bei Wurzel(Startmasse / Nutzlastmasse) – 0.5 liegt. (Gilt nur, wenn spezifischer Impuls von erster und zweiter Stufe in etwa gleich groß sind).
Bei 17 t geschätzter Masse zum Mond und 1428 t Startmasse sollte der Teiler bei 8,7 liegen. Die Oberstufe sollte also rund 147 t wiegen. Sie ist aber deutlich leichter. Genau weiß man es nicht, da es keine Daten von SpaceX gibt.
Die folgenden Berechnungen basieren auf einer von mir modellierten Falcon Heavy die 20 t in den GTO erreicht – immerhin mehr als die vor Fachpublikum präsentierte Nutzlast von 15 t in den GTO (ja auf der Website steht mehr, doch das sind eben SpaceX Variante von Fake News bzw., man sollte nicht alles glauben, was im Internet steht).
Bei mir wiegt die zweite Stufe 96,7 t voll und 5 t leer. Ähnliche Angaben findet man auch woanders, sie lassen sich im wesentlichen aus dem Schub, spezifischen Impuls und Brennzeit der Oberstufe ableiten. Mehr als 108 t Treibstoff kann sie selbst bei Übernahme der unrealistischen Angabe von 348 s spezifischen Impuls (bei einem Nebenstromtriebwerk, wie man leicht durch Tools wie CEA2 nachprüfen kann, nicht erreichbar) nicht haben. Ich ging zudem von einer Schubreduktion aus, sobald 6 g Beschleunigung erreicht sind, darauf deutet auch der „Users Guide“ hin. Ich habe nun ganz einfach die Oberstufe in mehreren Stufen jeweils um 10 t Startgewicht und 200 kg Trockengewicht schwerer gemacht und die Brennzeit angepasst. Das entspricht in etwa dem was Tanks für LOX/RP-1 zusätzlich wiegen, inklusive anderer Zuschläge für Belastungen durch die schwerere Stufe und Nutzlast erhöht. Die erste Stufe habe ich konstant gelassen, in der Realität würde sie durch die schwerere Oberstufe auch etwas schwerer werden, doch das macht wenig aus. Wäre die Falcon Heavy tatsächlich auf 63,8 t Nutzlast ausgelegt, woran ich aber berechtigte Zweifel habe, wäre das Erhöhen zumindest bei den ersten vier Schritten ohne Auswirkung auf die erste Stufe.
Die Simulation geht von einer Fluchtbahn mit einem C3 von -2 km/s aus, entspricht in etwa einem Apogäum in 390.000 km Entfernung, je nachdem wann die Rakete Brennschluss hat. Dabei gehe ich von einem direkten Aufstieg aus, es muss also nicht zuerst eine Kreisbahn erreicht werden. Das erhöht die Nutzlast, weil so das Perigäum sehr niedrig liegen darf. Einzige Nebenbedingung: Während des Aufstiegs darf die Rakete nie weniger als 180 km Höhe erreichen, wenn sie diese Grenze erst mal überschritten hat.
Hier die Ergebnisse:
| Rakete | Masse Oberstufe | Nutzlast |
|---|---|---|
| Original | 96,7 t | 17.000 kg |
| +10 t | 106,7 t | 17.700 kg |
| + 20 t | 116,7 t | 18.200 kg |
| + 30 t | 126,7 t | 18.600 kg |
| + 40 t | 136,7 t | 18.600 kg |
| + 50 t | 146,7 t | 18.600 kg |
Wie man sieht, lag ich mit einer Schätzung gar nicht mal so schlecht. Das Optimum wird schon bei etwas kleinerer Stufe erreicht. Das liegt daran, das die Raketengleichung keine Aufstiegsverluste beinhaltet die aber mit zunehmendem Gewicht von Oberstufe und Nutzlast zunehmen und das Optimum wieder etwas nach unten verschieben. Immerhin sind so 1.600 kg mehr Nutzlast möglich. Das dürfte beim Lunar Gateway etwa 1.000 bis 1.100 kg mehr Nettofracht bedeuten, denn dabei ist natürlich auch der Treibstoff enthalten, denn man braucht, um die Mondumlaufbahn zu erreichen. Die 4,4 t Fracht, die die NASA pro Mission wünscht, wird man so nicht mit einem Flug erreichen, aber sofern es nicht andere Masse steigernden Umbaumaßnahmen gibt, sind etwa 3 bis 3,4 t Fracht möglich. Die 4,4 t könnte man so in zwei Flügen zu je 2,2 t erreichen oder eben mit einer leichteren Dragon als der derzeitigen startet. Bei (abhängig von der Trockenmasse des Antriebssystem, Reserven, Trajektorie und spezifischem Impuls) etwa 8 bis 8,7 t Trockenmasse müsste es mit den 4,4 t hinhauen. Wenn die Frachtdragon XL also 0,8 bis 1,5 t leichter als die Crewed Dragon ist, müsste man mit der Verlängerung der Falcon Heavy die 4,4 t Fracht pro Mission erreichen.
Alternativ setzt SpaceX die erste Generation der Dragons ein, die (ohne Treibstoff) nur etwa 5 t wog, dann klappt die Beförderung auch ohne Erhöhung der Nutzlast der Falcon Heavy. Offiziell sind diese aber aufkündigt, sogar bei Transporten der ISS.
Die nächste Frage ist, ob das so geht? Meiner Ansicht nach hat SpaceX ein Längenproblem. Die Falcon 9 ist seit der ersten Version um 17 m länger geworden und das gilt auch für die Falcon Heavy. Es ist schon auffällig, das die Nutzlastverkleidung sehr kurz ist – auch im Vergleich zu anderen Trägern, die nur Einzelstarts durchführen die Atlas V, Delta 4 und Proton. Diese haben Nutzlasthüllen von 17 bis 20 m Länge. Ein möglicher Grund für die Längenbeschränkung kann die Aerodynamik sein. Denn seitlich angreifende Kräfte wie durch die Atmosphäre übertragen werden, sind um so stärker je länger die Rakete ist. Allerdings fliegen die Dragons ohne Nutzlasthülle, damit sind sie kürzer und das erlaubt die Verlängerung. Die Nutzlastverkleidung hat 13,9 m Länge, die Dragons sind 8,1 m lang. Grob geschätzt könnte man also um knapp 6 m die Oberstufe verlängern. Bei der Kombination LOX/Kerosin fasst eine Tankverlängerung um 1 m etwa 10 bis 11 t Treibstoff, abhängig vom Mischungsverhältnis und Temperatur. Die 6 m wären also gut für 60 t Treibstoff, benötigt werden 30 t, das müsste also gehen.
Für die Erststufe ergibt sich sogar ein positiver Effekt durch die schwerere Spitze, denn so findet die Abtrennung bei niedrigerer Geschwindigkeit statt was die Landung erleichtern würde – würde, weil ich mit einer Version ohne Treibstoffreserven für die Landung gerechnet habe.
Was viel interessanter ist und ein Licht auf SpaceX Pläne wirft: während Musk die Falcons schon vor Jahren als eine Lösung deklariert hat, die man nur bei Kunden einsetzt, die „besonders konservativ“ sind und sein Starship in hohen Tönen lobt, obwohl sie bisher drei (vier, das kommt davon, wenn man den Artikel schon einige Tage vor dem 1.6 schreibt …) Prototypen schon bei der Betankung zerlegt haben, sprechen die abgeschlossenen Verträge eine andere Sprache. Der Frachtkontrakt für das Lunar Gateway liegt in ferner Zukunft, derzeit gibt es das ja das Gateway nicht und inoffiziell rechnet man bei der NASA nicht vor 2024 damit. Ähnliches gilt für andere Starts, deren Datum veröffentlicht wurde, und die 2023 oder 2024 stattfinden. Alle diese Missionen in einigen Jahren werden aber von Falcons durchgeführt. Nun wollte Musk das Starship ja innerhalb eines Jahres zum ersten orbitalen Testflug schicken – selbst wenn dies zwei oder gar drei Jahre sind, sollte es spätestens 2022 einsatzfähig sein. Offensichtlich wollen die Kunden es nicht oder glauben nicht an es. (nach vier Explosionen auch nicht verwunderlich) Wenn es kommt, so wird es wohl SpaceX selbst einsetzen. Sie wollen schließlich in der zweiten Ausbaustufe von Starlink 42.000 Satelliten starten. Selbst wenn sie die 60 Satelliten, die jetzt gestartet werden gehalten werden können, (eher unwahrscheinlich weil die anderen Bahnen eine höhere Bahnneigung und Höhe haben, was die Nutzlast absenkt). Dann sind das 700 Starts einer Falcon 9. Die Falcon Heavy setzen sie ja dafür nicht ein, obwohl es so dreimal schneller ginge. Mit dem Starship sollte es zumindest theoretisch fünfmal weniger Starts geben, was immer noch für eine gute Auslastung der Starshipos mit mehr als 100 Starts sorgen dürfte.
Kleines Bonbon am Rande – Oneweb, obwohl bankrott, hat bei der FCC ebenfalls einen Antrag eingereicht um die Genehmigung, 48.000 Satelliten starten zu dürfen.